異步計數器可以有 2 n -1 種可能的計數狀態(tài)，例如 4 位計數器的 MOD-16（0-15），這使其非常適合用于頻分應用。但也可以使用基本異步計數器配置來構建計數狀態(tài)小于其最大輸出數的特殊計數器。例如，模數或 MOD 計數器。

這是通過強制計數器在預定值時將其自身重置為零來實現的，從而產生一種具有截斷序列的異步計數器。然后，計數到其最大模數（2 n ）的n 位計數器稱為全序列計數器，而模數小于最大模數的 n 位計數器稱為截斷計數器。

但是，為什么我們要創(chuàng)建一個異步截斷計數器，而不是 MOD-4、MOD-8 或其他等于 2 的冪的模數呢？答案是，我們可以通過使用組合邏輯來利用觸發(fā)器上的異步輸入。

如果我們采用模 16 異步計數器并用附加邏輯門對其進行修改，則可以使其提供十進制（除以 10）計數器輸出，以用于標準十進制計數和算術電路。

這種計數器通常稱為十進制計數器。十進制計數器需要在輸出計數達到十進制值 10 時（即 DCBA = 1010）重置為零，為此，我們需要將此條件反饋給重置輸入。計數序列從二進制“0000”（BCD =“0”）到“1001”（BCD =“9”）的計數器通常稱為 BCD 二進制編碼十進制計數器，因為其十狀態(tài)序列是 BCD 碼的序列，但二進制十進制計數器更常見。

異步十進制計數器

這種異步計數器在輸入時鐘信號的每個后沿從 0000 開始向上計數，直到達到輸出 1001（十進制 9）。輸出 QA 和 QD 現在都等于邏輯“1”。在下一個時鐘脈沖施加時，74LS10 NAND 門的輸出狀態(tài)從邏輯“1”變?yōu)檫壿嫛?”電平。

由于 NAND 門的輸出連接到 所有 74LS73 JK 觸發(fā)器的CLEAR ( CLR ) 輸入，該信號導致所有Q輸出在計數為 10 時重置回二進制0000。由于輸出QA和QD現在都等于邏輯“0”（因為觸發(fā)器剛剛重置），NAND門的輸出返回到邏輯電平“1”，計數器再次從0000重新啟動。我們現在有一個十進制或模 10 遞增計數器。

十年計數器真值表

十進制計數器時序圖

通過使用截斷計數器輸出序列的相同想法，上述電路可以輕松地適應其他計數周期，只需改變與NAND門輸入的連接或使用其他邏輯門組合即可。

舉例來說，只需將“ QC ”和“ QD ”的輸出輸入到NAND門，就可以輕松實現十二進制（模 12） ，注意 12 的二進制等價物是1100，而輸出“ QA ”是最低有效位 (LSB)。

由于用n 個觸發(fā)器可實現的最大模數為2 n，這意味著在設計截斷異步計數器時，您應該確定大于或等于所需模數的最低 2 的冪。

假設我們希望從 0 數到 39，或者對 40 取模并重復。那么所需的觸發(fā)器數量最多為 6 個，n = 6可得到最大 MOD 為 64，因為 5 個觸發(fā)器是不夠的，因為這只能得到 MOD-32。

現在假設我們想構建一個“除以 128”的計數器用于分頻，我們需要級聯七個觸發(fā)器，因為 128 = 2 7。使用諸如 74LS74 之類的雙觸發(fā)器，我們仍然需要四個 IC 來完成電路。

一種簡單的替代方法是使用兩個 TTL 7493 作為 4 位波紋計數器/分頻器。由于 128 = 16 x 8，因此可以將一個 7493 配置為“除以 16”計數器，將另一個配置為“除以 8”計數器。兩個 IC 可以級聯在一起，形成一個“除以 128”分頻器，如圖所示。

當然，也有標準 IC 異步計數器可用，例如 TTL 74LS90 可編程紋波計數器/分頻器，可配置為 2 分頻、5 分頻或兩者的任意組合。74LS390 是一種非常靈活的雙十進制驅動器 IC，具有大量可用的“分頻”組合，包括 2 分頻、4 分頻、5 分頻、10 分頻、20 分頻、25 分頻、50 分頻和 100 分頻。

分頻器

紋波計數器能夠截斷序列以產生“除以 n”的輸出，這意味著計數器（尤其是紋波計數器）可用作分頻器，以將高時鐘頻率降低到更可用的值，以用于數字時鐘和計時應用。例如，假設我們需要一個精確的 1Hz 計時信號來操作數字時鐘。

我們可以很容易地使用配置為非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的標準 555 定時器芯片產生 1Hz 方波信號，但制造商的數據表告訴我們，555 定時器根據制造商的不同，通常具有 1-2% 的定時誤差，并且在 1Hz 的低頻下，這個 2% 的定時誤差是不好的。

但是，數據表還告訴我們，555 定時器的最大工作頻率約為 300kHz，在此高頻率下 2% 的誤差（雖然在最大約 6kHz 時仍然很大）是可以接受的。因此，通過選擇更高的定時頻率（例如 262.144kHz）和 18 位波紋（Modulo-18）計數器，我們可以輕松制作出精度為 1Hz 的定時信號，如下所示。

來自 18 位異步波紋計數器的 1Hz 定時信號

這當然是一個非常簡單的如何產生精確定時頻率的例子，但通過使用高頻晶體振蕩器和多位分頻器，可以為從時鐘或手表到事件定時甚至電子鋼琴/合成器或音樂類型應用等各種應用產生精密頻率發(fā)生器。

不幸的是，異步計數器的主要缺點之一是由于門的內部電路，時鐘脈沖到達其輸入端和出現在其輸出端之間存在微小的延遲。

在異步電路中，這種延遲稱為傳播延遲，因此異步紋波計數器有“傳播計數器”的綽號，在某些高頻情況下，這種延遲會產生錯誤的輸出計數。

在大位波紋計數器電路中，如果將各個階段的延遲全部加在一起，在計數器鏈的末端產生總延遲，則輸入信號和計數輸出信號之間的時間差可能非常大。這就是為什么異步計數器通常不用于涉及大量位的高頻計數電路的原因。

此外，計數器的輸出彼此之間沒有固定的時間關系，并且由于它們的時鐘序列，它們不會在同一時刻發(fā)生。換句話說，輸出頻率逐一可用，這是一種多米諾骨牌效應。然后，添加到異步計數器鏈的觸發(fā)器越多，最大工作頻率就越低，以確保準確計數。為了克服傳播延遲問題，開發(fā)了同步計數器。

然后總結一下異步計數器的一些優(yōu)點：

異步計數器可以很容易地由切換觸發(fā)器或 D 型觸發(fā)器制成。

它們被稱為“異步計數器”，因為觸發(fā)器的時鐘輸入并非全部由相同的時鐘信號驅動。

鏈中的每個輸出都取決于前一個觸發(fā)器輸出的狀態(tài)變化。

異步計數器有時也稱為波紋計數器，因為數據似乎從一個觸發(fā)器的輸出“波紋”到下一個觸發(fā)器的輸入。

它們可以使用“除以 n”計數器電路來實現。

截斷計數器可以產生任意模數計數。

異步計數器的缺點：

可能需要額外的“重新同步”輸出觸發(fā)器。

要計算不等于2 n 的截斷序列，需要額外的反饋邏輯。

如果計算大量的位數，則連續(xù)階段的傳播延遲可能會變得過大。

這種延遲使它們獲得了“傳播計數器”的綽號。

在高時鐘頻率下會發(fā)生計數錯誤。

同步計數器更快、更可靠，因為它們對所有觸發(fā)器使用相同的時鐘信號。

審核編輯 黃宇